MANIZALES - 2019
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PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES - LOS CAMBULOS MANIZALES
CAMARA BYPASS
MANIZALES - 2019
Criterios de Diseño
Propiedad de los Materiales
Todas las estructuras de concreto deben diseñarse con los siguientes parámetros:
Resistencia a Compresión del Concreto (f'c) 28 MPaModulo de Elasticidad del Concreto (Ec) 24,870 MPa
Acero de Refuerzo ASTM A615 grado 60Esfuerzo de fluencia (Fy) 420 MPa
Modelación Computacional
INFORMACIÓN GENERAL
Los cálculos estructurales presentados a continuación son desarrollados para laestructura de las camaras bypass. El sistema estructural corresponde a muros deconcreto reforzado (tanque) apoyado sobre el terreno.
El análisis de la estructura se realiza por medio del software especializado deelementos finitos, el cual permite realizar análisis estático, análisis dinámico, obtenciónde fuerzas internas y deflexiones, y verificación de diseño de elementos en concreto yacero de acuerdo a los parámetros establecidos por la NSR-10.
Caracteristicas Geometricas de Tanque
Dimensiones Internas
Altura Interna muros Hw: m
Diámetro Interno D: m
Predimensionamiento
Muros
Espesor de muros mínimo 1 tmin: m C.23-C.14.6.1
Espesor de muros mínimo 2 tmin: m C.23-C.14.6.2
Espesor escogido de muros tm: m
Losa sobre Terreno
Espesor de losa mínimo 1 tmin: m (1 parrilla)C.23-C.15.14.3.1
Espesor de losa mínimo 2 tmin: m (ParrillaA&B)C.23-C.15.14.3.1
Espesor escogido de losa tm: m
0.10
0.15
0.30
5.85
1.80
DISEÑO DE DIGESTORES
0.20
0.30
0.30
Cargas Actuantes
Carga en Cubierta
Wt: kN/nodo
Caracteristicas Sísmicas y de Suelo
Aa: Av: Suelo Tipo:
Fa: Fv. I:
T0: s Tc: s TL: s
ϒ: kN/m3 Ø: °
Empuje del Suelo
La condiciones de empuje del suelo, se estiman para un material típico de relleno no cohesivo.
ϒ: kN/m3 Ø: ° Ka:
Hw: m Hs: m Kp:
Altura de muro Altura de Suelo
h p5.9 05.9 0
0 15.6
0.25 0.25 C
1.15 1.55 1.50
3.72
0.33
3.00
0.13 0.65
18.0 30.0
8.0 30.0
5.9 5.85
4.0
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0 2.5 5 7.5 10 12.5 15 17.5
Alt
ura
[m]
Empuje del suelo en condición estática [kN/m2]
Empuje de Suelo Estático
Empuje del Suelo + Nivel freático
ϒw: kN/m3 ϒd: kN/m3 Hf: m
Altura nivel freático
h p5.9 05.9 0
0 54.6
Empuje del suelo pseudo-estático
ϒ: kN/m3 Hs: m
kh Se toma Aa de acuerdo a la NSR-10 (Tabla A.2.3-2)
α:
18.0
-2.0 5.85
Debido a que se presenta un nivel freático alto, se considera conveniente obtener las fuerzas del sueloteniendo en cuenta la presión de agua freática, en vez de considerar solo el suelo en condición normal.
10.0
0.25
0.64
5.9
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Alt
ura
[m]
Empuje del suelo en condición estática [kN/m2]
Empuje Suelo Estático + Nivel Freático
qo: kN/m2
H/6: m H/3: m H/2: m
h p0.0 05.9 04.9 16.852.9 16.80.0 0
Calculo de Altura de Ola:
HL: m Iteración I: AIS 180 - 7.6.1-c
Lado Largo
D: m
Tco: s
Saco:
δ: m
HL: m Altura máxima de Operación
0.376
5.47
1.80
1.40
0.497
5.00 1.00
1.0 2.0 2.9
16.8
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Alt
ura
[m]
Empuje del suelo en condición pseudoestática [kN/m2]
Empuje de Suelo Pseudoestático
Peso de Elementos y Liquido Almacenado
Elementos Estructurales ϒ: kN/m3
Muros Wm: kN
Losa sobre Terreno Wl: kN
Tapa Wt: kN
Peso Total Estructura W: kN
Liquido Almacenado ϒ: kN/m3
Peso Total Liquido WL: kN
Presión Hidrostática - Suposición de Tanque lleno
Hp: m ϒ: kN/m3
Puntos 5.85 05.00 0
0 500 0
4
314
10
149
5.00 10.00
24
278
33
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
0 10 20 30 40 50 60
Pro
fun
did
ad[m
]
Presión Hidrostática [kN/m2]
Presión Hidrostática
Fuerzas Hidrodinámicas - AIS 180, ACI 350-06
Hw: m HL: m ML: kg
Lado Largo
D: m
Wi: kN Wc: kN
hi: m hc: m
hi': m hc': m
λ: Tco: s
I: Ri:
Rc: Sai: g
Saco: g
ε:
1.08
0.746
Coeficiente de Masa Efectiva
0.954
Caracteristicas Sísmicas AIS 180
1.50 2.00
1.50
Periodo Para Masa Impulsiva
La Masa Impulsiva se considera que actua para periodos sismicosbajos, por debajo de Tc.
Periodo Para Masa Convectiva
6.01 1.40
4.51
4.511
Posición Centro de Gravedad IBP
2.250
12
Masa Impulsiva - Masa Convectiva
144
Posición Centro de Gravedad EBP
2.331
5.85 5.00 15175
1.80
Sav: g
Ww: kN Ww': kN
Pw: kN Pw': kN
Pr: kN Pi: kN
Pc: kN
V: kN
Mw: kN.m Mr: kN.m
Mi: kN.m Mc: kN.m
Mi': kN.m Mc': kN.m
M: kN.m M': kN.m
FSD: FSV:
Factor de Seguridad a Deslizamiento y Vuelco
13
181 28
Cortante Total en la Base
223
Momentos en Base y Vuelco
418
2 78
6
1.20 0.69
175 28
613 606
139
143 71
Aceleración Vertical
0.72
Fuerzas Dinámicas
278
Presiones - Fuerzas Dinámicas
Pwy: kN/m
Pvy0 kPa PvyHL kPa
Piy0 kN/m PiyHL kN/m
Pcy0 kN/m PcyHL kN/m
Py0 kN/m PyHL kN/m
py0: kN/m pyHL: kN/m
Distribución de Presiones Dinámicas
h px pyPuntos 5.85 0 0
5.00 0 05.00 4.2 ####
0 14 ####
4.22
38.92 11.94
13.76
Presión Convectiva
-0.87 2.09
Presiones Totales - Lineal Equivalente
0.00
Presión Impulsiva
9.35 6.20
Presión Inercial
5.56
Presión Vertical
35.94
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
0 5 10 15
Alt
ura
[m]
Presión Hidrodinámica [kN/m]
Presión Hidrodinámica
Combinaciones de Diseño
Cuantías mínimas
Separación entre Juntas 6 m ρmin: Total
ρmin: Por cara
0.0030
0.0015
Modelo Tridimensional y Cargas Aplicadas
Modelo matemático aplicado:
Representación del suelo:
Se presenta a continuación la capacidad portante y modulo de subrasante dados por en el estudio de suelos:
Capacidad portante qadm= 731.86 kN/m2
Modulo de reación ks= kN/m2/m
Área aferente: 0.3965 m2 ksv: 59475 kN/m
ksr: No se plantea rigidez a rotación
ksh:
Se realizó un modelo matemático de elementos finitos utilizando el software especializado para dicha labor.Para modelar el comportamiento de los muros y las losas, se utilizaron elementos tipo "Plate", discretizandolos mediante un enmallado de tamañoinferior a 0.50 x 0.50 m.
150000
Se plantea representar el suelo como resortes verticales desacoplados con solo capacidad a compresión(Método de Winkler, 1867) este método asume un modelo rígido del suelo por medio de resortes, paralos cuales la constante de rigidez se calcula multiplicando el modulo de reacción de la subrasante por elárea aferente.
Debido a que es una estructura enterrada se esperaque la presión pasiva del suelo sea suficiente paraevitar desplazamientos horizontales, esto serepresentara como una restricción al desplazamientohorizontal o una rigidez muy alta.
Cargas consideradas:
Descripción gráfica del modelo:
Nombre de los elementos:
Modelo 3D Planta de resortes en cimentación
Peso propio del tanque, Empuje activo del suelo, Sismo del suelo, Empuje de Agua (Estanqueidad), Sismo del agua.
1. Muros 2. Losa
Cargas aplicadas:
Carga muerta - peso propio Carga viva
Empuje del agua Empuje Sismico del Agua
Empuje activo del suelo Sismo del suelo
Resultados Modelo Estructural:
Momentos MY Muro y losa [kN.m/m]
Momentos MX Muro y losa [kN.m/m]
Esfuerzo axial circunferencial Muro y losa [kN/m2]
Esfuerzo cortante máximo Muro y losa [kN/m2]
Diseño de Elementos Estructurales
Refuerzo de elementos:
Cuantias Mínimas y máximas :
f'c = 28.00 MPa ρmín.TEMPERATURA. = 0.0015 por cara
Ec= 24870 MPa ρmín.Flex. = 0.0033 1,4/fY
ρmax. = 0.0213 0.75*rb
fy= 420.0 MPaEs= 204000 MPa
Recubrimiento : d' = 0.075 m
FLEXIÓN (REFUERZO VERTICAL) Muros
Positivo Externo
Negativo Interno
B [m] H [m] d [m]Mu
[kN-m]k (MPa) ρcalc ρdiseño As [mm2] Barra # Sreq [m] Soptado [m] ρusado
1.00 0.15 0.08 0.60 107 0.0003 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.0086
1.00 0.15 0.08 0.60 107 0.0003 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.0086
1.00 0.30 0.23 11.00 217 0.0006 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029
1.00 0.30 0.23 11.00 217 0.0006 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029
1.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029
1.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029
1.00 0.30 0.23 4.00 79 0.0002 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029
1.00 0.30 0.23 4.00 79 0.0002 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.0029
FLEXIÓN (REFUERZO HORIZONTAL)
B [m] H [m] d [m]Mu
[kN-m]k (MPa) ρcalc ρdiseño As [mm2] Barra # Sreq [m] Soptado [m] ρusado
1.00 0.15 0.08 0.10 18 0.0000 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.0086
1.00 0.15 0.08 0.10 18 0.0000 0.0015 225 4 0.57 0.20 0.00861.00 0.30 0.23 2.00 40 0.0001 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 2.00 40 0.0001 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 18.00 356 0.0009 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 10.00 198 0.0005 0.0015 450 4 0.29 0.20 0.00291.00 0.30 0.23 10.00 198 0.0005 0.0015 450 4 0.29 0.23 0.0025
TRACCIÓN (REFUERZO HORIZONTAL - CIRCUNFERENCIAL)
Tu
[kN]
fc
[MPa]
As calc
[mm2]
As min
[mm2]
As cara
[mm2]Barra # Sreq [m] Soptado [m]
16.80 0.11 44 450 225 4 0.57 0.2080.10 0.27 212 450 225 4 0.57 0.201.20 0.00 3 900 450 4 0.29 0.201.50 0.01 4 900 450 4 0.29 0.20Losa (Borde Muros)
Elemento
Losa Cara Externa (Borde)
Elemento
Muros (Mitad)Muros(Bordes)Losa (Mitad)
Losa Cara Interna (Mitad)
Muros Cara Externa (Mitad)Muros Cara Interna (Borde inf)Muros Cara Externa (Borde inf)Losa Cara Interna (Mitad)Losa Cara Externa (Mitad)Losa Cara Interna (Borde)
Muros Cara Interna (Mitad)
Concreto :
Acero :
Elemento
Muros Cara Interna (Mitad)
Muros Cara Externa (Mitad)
Losa Cara Externa (Mitad)
Losa Cara Interna (Borde)
Muros Cara Interna (Borde inf)
Muros Cara Externa (Borde inf)
Losa Cara Externa (Borde)
� � = ∅� � � 1 − 0.59�� �
� ′�� � �
� � = ∅� � � 1 − 0.59�� �
� ′�� � �
CORTANTE
Se configura un plano de cortante? SíTipo de plano de cortante:
Coeficiente de rugosidad µ = 1.00
1.00 0.15 0.08 40.00 661.441.00 0.30 0.23 110.00 661.441.00 0.30 0.23 180.00 661.441.00 0.30 0.23 270.00 661.44
CONTROL DE AGRIETAMIENTO
Condiciones ambientales:
Mserv
[kN-m]
L / H
[m/m]nρ k fs [ksi]
fs lim
[ksi]β Barra # s [m] s máx [m] Cumple?
0.40 < 2.0 0.0688 0.308 1.34 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.40 < 2.0 0.0688 0.308 1.34 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK9.00 < 2.0 0.0229 0.192 9.61 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK9.00 < 2.0 0.0229 0.192 9.61 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK
14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK4.00 < 2.0 0.0229 0.192 4.27 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK4.00 < 2.0 0.0229 0.192 4.27 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK
Mserv
[kN-m]
L / H
[m/m]nρ k fs [ksi]
fs lim
[ksi]β Barra # s [m] s máx [m] Cumple?
0.10 < 2.0 0.0688 0.308 0.33 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.10 < 2.0 0.0688 0.308 0.33 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.10 < 2.0 0.0229 0.192 0.11 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK0.10 < 2.0 0.0229 0.192 0.11 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK
14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK14.00 < 2.0 0.0229 0.192 14.95 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK8.00 < 2.0 0.0229 0.192 8.54 20.00 1.35 4 0.20 0.30 OK8.00 < 2.0 0.0199 0.181 9.78 20.00 1.35 4 0.23 0.30 OK
ESFUERZO POR TRACCIÓN (REFUERZO HORIZONTAL - CIRCUNFERENCIAL)
T
[kN]
As opt.
[mm2]n εsh Ac [mm2]
fc
[MPa]
fclim
[MPa]Cumple?
10.65 645 8 0.0003 150000 0.32 2.8 OK63.00 645 8 0.0003 150000 0.6604 2.8 OK1.20 645 8 0.0003 300000 0.1333 2.8 OK1.50 645 8 0.0003 300000 0.1343 2.8 OKLosa (Borde Muros)
Muros Cara Externa (Mitad)Muros Cara Interna (Borde inf)Muros Cara Externa (Borde inf)Losa Cara Interna (Mitad)Losa Cara Externa (Mitad)
Elemento
Muros (Mitad)Muros(Bordes)Losa (Mitad)
Losa Cara Externa (Borde)
Muros Cara Interna (Borde inf)Muros Cara Externa (Borde inf)Losa Cara Interna (Mitad)Losa Cara Externa (Mitad)Losa Cara Interna (Borde)
Elemento
Muros Cara Interna (Mitad)Muros Cara Externa (Mitad)
Muros Cara Interna (Mitad)
Muros(Bordes) NO REQUIERE
Losa (Mitad) NO REQUIERE
Losa (Borde Muros) NO REQUIERE
Severas
Refuerzo Vertical
Elemento
ϕvckN/m2
Requiere
refuerzo?Muros (Mitad) NO REQUIERE
Elemento B [m] H [m] d [m] vu kN/m2
Sección de análisis a 'd' de la cara del apoyo
Refuerzo Horizontal
Losa Cara Interna (Borde)Losa Cara Externa (Borde)
Concreto intencionalmente rugoso
� � � � � =� � �
� � � � � � �� �
�
��[ksi]
Condiciones Ambientales Normales
� � � � � =� � �
� � � � � � �� �
�
��[ksi]
Condiciones Ambientales Severas
Condiciones Ambientales NormalesRetención de líquidos con pH >5.0 ócontenido de sulfatos < 1000 ppmCondiciones Ambientales SeverasEl resto
� � =� �
� �∅� � = 0.75 ×
1
6� � ��
Chequeo de Capacidad portante
Capacidad de resortes
Capacidad portante (Estudio de suelos): 731.86 kN/m2
Modulo de subrasante (resorte): 150000 kN/m2/m
Máxima fuerza permitida por resorte: 290.18 kN
Resultados de fuerzas máximas de resortes en nodos de cimentación de modelo
Max Fx 2 9 S2 2.625 3.562 0 0 0 0 OKMin Fx 44 18 S11 -4.119 2.266 -0.913 0 0 0 OKMax Fy 2 18 S11 -0.372 9.375 0 0 0 0 OKMin Fy 72 21 S14 -3.281 -2.986 0 0 0 0 OKMax Fz 107 9 S2 0 3.562 2.625 0 0 0 OKMin Fz 37 9 S2 0 3.562 -2.625 0 0 0 OKMax Mx 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMin Mx 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMax My 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMin My 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OKMax Mz 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OK
Min Mz 1 8 S1 0 1.239 0 0 0 0 OK
Calculo aproximado de presión de suelo y estado de capacidad
Carga muerta:
Peso tapa: 1.50 kN/m2
Peso agua 90 kN/m2
Peso tanque de concreto: 24 kN/m2
Carga viva:
Tapa: 1.8 kN/m2
Total Muerta + Viva 117.30 kN/m2
Capacidad portante (Estudio de suelos): 731.86 kN/m2
Estado de capacidad: OK
Fz [kN]Mx
[kN.m]My
[kN.m]Mz
[kN.m]EstadoNode Load/Comb Fx [kN] Fy [kN]